Окуляр

Окуляр (от лат. oculus - глаз), обращенная к глазу наблюдателя часть оптической системы - зрительной трубы, телескопа, бинокля, микроскопа и т. д.; служит для визуального рассматривания действительного изображения оптического (его называют промежуточным), которое формирует объектив или др. предшествующая окуляру (по ходу лучей света) часть системы, например, сочетание объектива и оборачивающей системы. Большинство окуляров - положительны, т. е. собирают (сужают) проходящие через них пучки лучей света. По своему действию такие окуляры сходны с лупами: их располагают так, чтобы промежуточное изображение находилось непосредственно за передней фокальной плоскостью окуляра (практически в этой плоскости); в этих условиях окуляр дает мнимое изображение (дополнительно увеличивая его по сравнению с промежуточным), преобразуемое оптической системой глаза наблюдателя в действительное, которое проектируется на сетчатку глаза. Отличие положительного окуляра от лупы, связанное с его использованием в сложной системе, включающей объектив, состоит в значительно меньшей апертуре пучка попадающих в него лучей.

Перемещение положительного окуляра относительно промежуточного изображения (так, чтобы оно находилось перед фокальной плоскостью окуляра) превращает окуляр в проекционную систему, дающую действительное изображение объекта. Такое изображение нельзя наблюдать непосредственно визуально, но можно зафиксировать на экране или фоточувствительном слое. Существуют специальные так называемые фотоокуляры и проекционные окуляры, рассчитанные для работы в этом режиме (см., например, ст. Микропроекция, Микроскоп, раздел Основные узлы микроскопов); в строгом смысле их нельзя считать окулярами.

Оптические свойства окуляра характеризуются: фокусным расстоянием f' и определяемым f угловым увеличением оптическим Г' - отношением тангенса угла, под которым видно мнимое изображение в окуляре, к тангенсу угла, под которым глаз без окуляра видел бы на экране или фотослое промежуточное изображение, удаленное на т. н. расстояние наилучшего видения (для нормального глаза 250 мм); углом поля зрения 2 ω' в пространстве изображений (углом между крайними лучами, выходящими из окуляра); у положительного окуляра расстоянием d от последней линзы окуляра до его выходного зрачка - даваемого окуляром изображения объектива (см. Диафрагма в оптике). Для наиболее удобного расположения глаза наблюдателя d должно составлять 12-15 мм, а при наличии очков - до 25 мм. Сильные окуляры (с малым f) обладают спец. конструкцией, позволяющей выполнить это условие.

Г' окуляра равно 250/f', если f выражено в мм; оно обычно заключено в пределах 5-20 X , хотя в отд. случаях либо достигает 40-60X , либо составляет всего 1,5-ЗХ. От оптических свойств окуляра зависят и общие характеристики включающей его оптической системы. Так, полное увеличение системы: для зрительных труб и телескопов γ = F'/f' (F' - фокусное расстояние предшествующей окуляру части системы); для микроскопов γ = βГ' (β - линейное увеличение объектива). Поле зрения в пространстве объектов - угловое 2ω для зрительных труб и телескопов и линейное 2l для микроскопов - выражается по формулам tgω = tgω'/γ и 2l = f' tg ω'/β.

Первый окуляр, примененный в 1609 Г. Галилеем (см. Зрительная труба), был простой отрицательной (рассеивающей) линзой. (С тех пор такие окуляры носят название окуляров Галилея.) В них промежуточное изображение находится за окуляром (рис. 1), угол зрения и увеличение малы, действительное промежуточное изображение невозможно совместить с измерит, шкалой или сфотографировать, поэтому окуляры Галилея используются редко, главным образом в театральных биноклях. В середине 17 века X. Гюйгенс, а в кон. 18 в. английский ученый Дж. Рамсден сконструировали положительный окуляр, применяемые до сих пор. Каждый из них составлен из двух плосковыпуклых линз (рис.2). При всей их простоте для углов поля зрения в пределах 35-45° в них неплохо исправлены основные аберрации (см. Аберрации оптических систем) и достаточно расстояние до выходного зрачка. Их фокусные расстояния не меньше 15-20 мм. Окуляр Рамсдена отличается от окуляра Гюйгенса тем, что его передний фокус действителен, вследствие чего с передней фокальной плоскостью (с промежуточным изображением) можно совместить шкалу или крест нитей для измерит, целей либо (при необходимости сфотографировать промежуточное изображение) фотопластинку, или пленку. Удовлетворит, качество изображения в окулярах Гюйгенса и Рамсдена обеспечивается исправлением хроматической разности увеличения (см. Хроматическая аберрация), астигматизма и комы, достигаемым эмпирическим подбором соотношения фокусных расстояний линз и величины воздушного промежутка между ними.

Рис. 1. Ход лучей света в зрительной трубе с окуляром Галилея. Действительное (промежуточное) изображение Е, формируемое объективом L₁, располагается в непосредственной близости за фокусом F отрицательного окуляра L₂. Пучок лучей, падающий на L₁ под углом ω, при наблюдении в окуляр попадает в глаз наблюдателя под углом ω', большим ω, чем и объясняется увеличивающее действие окуляра. f₁ - фокусное расстояние объектива, f₂ - фокусное расстояние окуляра.

Рис. 2. Двухлинзовые положительные окуляры: а - окуляр Гюйгенса; б -окуляр Рамсдена.

Рис. 3. Схема одного из современных многолинзовых широкоугольных окуляров.

С конца 19 века требования к полю зрения зрительных труб (особенно в военной оптике - например, для полевых биноклей и перископов) сильно повысились, и были разработаны широкоугольные окуляры с полем зрения 65-70°. В дальнейшем усложнение конструкций, увеличение числа линз и применение линз с несферическими (например, параболоидальными) поверхностями позволило создать окуляр с углами поля зрения до 100° и более (рис. 3). Параллельно с широкоугольными стали применяться сходные с ними по конструкции окуляры большой оптической силы, у которых отношение расстояния до выходного зрачка к фокусному расстоянию превышает 1. В сочетании с сильными апохроматическими объективами, особенно в микроскопах, используют т. н. компенсационные окуляры, рассчитанные так, что они исправляют свойственную таким объективам хроматическую разность увеличений. Часто применяются автоколлимационные окуляры (рис. 4), вблизи фокальной плоскости F которых располагают малую призмочку П. Она направляет свет от слабого источника * на перекрестие нитей, затем в объектив и далее на поставленное впереди плоское зеркало. От зеркала свет отражается и, проходя вновь через объектив, собирается в фокусе окуляра, где наблюдаются одновременно крест нитей и его изображение. Такие окуляры позволяют с большой точностью определить направление нормали к зеркалу, что бывает необходимо, например, в телескопических системах.

Рис. 4. Автоколлимационный окуляр.